TRIZ理论在“金属切削原理与刀具”课程教学中的应用研究

田川，董欢欢

（陕西机电职业技术学院，陕西 宝鸡 721001）

0 引言

“金属切削原理与刀具”课程是高等院校机械类专业基础课程之一，主要是学习金属切削加工过程中主要物理现象的变化规律、控制与应用；常用金属切削刀具的选择、使用与常用非标准刀具的设计等内容[1]，是学好数控编程与加工技术、机械制造工艺学等其他机械制造专业核心课程的前提。由于“金属切削原理与刀具”内容涉及面广，切削变形、切削力、切削温度等切削过程规律复杂，刀具几何角度、构型设计等抽象，对于理论基础和实践经验较为薄弱的在校学生来说，课程学习难度大，学生常常反映课程理论性强、学习内容枯燥乏味。TRIZ理论作为基于知识的面向人的综合性问题解决理论，在分析问题及解决问题上具有突出优势，被广泛应用于工程技术、企业管理和人才培养等方面。通过将TRIZ理论的技术进化法则、物场分析、冲突矩阵、克服思维惯性等相关方法工具应用于“金属切削原理与刀具”课程教学，提高了学生对于知识点的理解和掌握，在一定程度上攻破了课程教学难点。

1 “金属切削原理与刀具”课程的教学难点

1.1 金属切削原理知识较为复杂

金属切削原理是指金属切削过程中发生的一般物理现象及其规律，包括切削变形、切削力、切削温度、刀具磨损等内容以及相关要素如切削用量、刀具几何角度对它们的影响，知识范围涉及工程材料、工程力学、金属热处理、数理分析等。因此其知识较为复杂，对于学生系统性理解知识点要求较高[2，3]。

1.2 刀具结构设计知识较为抽象

刀具作为金属切削过程中与工件直接接触的工具，直接影响切削质量的好坏。典型的车刀包括“三面两刃一刀尖”（前刀面、后刀面、副后刀面、主切削刃、副切削刃、刀尖）主体部分，同时部分刀具还根据切削实际需要，设计了卷屑槽、过渡刃等特殊结构，这些让刀具结构知识变得复杂。此外刀具几何角度的形成、变化以及对切削的影响等知识立体性强、动态性强、较为抽象，需要培养学生建立良好的空间思维[4]。

2 TRIZ理论在金属切削原理与刀具课程教学中的应用

2.1 TRIZ理论

TRIZ理论是前苏联科学家阿奇舒勒团队在通过对大量高水平发明专利研究的基础上，提出的一种程式化的发明问题分析解决理论。其主要工具包含了：技术系统进化八大法则、技术冲突及冲突矩阵、物理冲突及分离原理、物场分析及标准解法、How-To模型及科学效应库、克服思维惯性方法以及复杂问题解决的ARIZ方法等。该理论已经被广泛应用于除工程技术问题之外的教育教学和人才培养等方面[5，6]。

2.2 应用技术系统进化法则

TRIZ理论提出了技术系统进化的8大法则，包括：完备性法则、能量传导法则、协调性法则、提高理想度法则、子系统不均衡进化法则、向超系统进化法则、向微观系统进化法则、动态性法则等。在有关刀具类型的讲解中引入系统进化法则相关知识，引导学生探究刀具发展的历程及未来趋势，加深学生对于知识点的理解和记忆。例如车刀由整体式刀具——焊接式刀具——可转位刀具的发展正是体现了刀具进化的动态性法则。

2.3 应用物场分析理论

物场分析的核心是“最小技术系统”理论，该方法通过将问题图形化为由物质S1（主体）、物质S2（客体）和场F（物质1和物质2的联系）组成的物场模型，通过分析物场模型是否有效、是否充分、是否产生有害作用等，并通过TRIZ理论提出的5大类76个标准解法进行问题求解，使系统朝着改善的理想化方向发展。利用物场分析理论建立刀具S1、工件S2和机械场F（刀具S1与工件S2之间的切削力）之间的物场模型如图1所示。分别得到定向有效模型、有效不充分模型和产生有害作用模型三类。

图1 金属切削物场模型

通过建立金属切削的物场模型，引导学生结合76个标准解法对金属切削效益存在问题的两类物场模型（有效不充分物场模型和产生有害作用物场模型）进行分析解决，进而掌握提高金属切削效益的四大主要途径。

（1）从增强物质S1刀具入手：合理选择刀具的几何角度、前刀面的形式，采用陶瓷、金刚石等性能优良的刀具材料，做好刀具的存储和保养等以提高金属切削效益。

（2）从增强物质S2工件入手：通过热处理或添加少量添加剂提高工件材料的可加工性能，让难加工材料变得容易加工，以提高金属切削效益。

（3）从增强场F切削力入手：选择合理的切削用量，增强制造系统的刚度和稳定性，使机床输出的适宜的切削功率以提高金属切削效益。

（4）从引入新的物质或场入手：引入切削液等新的物质或引入磁场[7]等新的场，抵消金属切削过程中有害作用的产生，以提高金属切削效益，如图2。

图2 引入切削液提高金属切削效益

2.4 应用冲突解决理论

冲突解决理论包含了物理冲突和对应的分离原理解决方法、技术冲突和对应的冲突矩阵解决方法。由于金属切削过程的复杂性，为了提高金属切削效益，在切削用量的选择上或在刀具的结构要求上往往出现某一参数有两个相反的需求（即物理冲突），或者某一参数的改善导致了另一参数的恶化（即技术冲突）。

（1）物理冲突及其求解

问题描述：在保证切削效率的情况下，从减小切削力的角度考虑，应该选择小的背吃刀量ap和大的进给量f；而从降低切削温度的角度考虑，应该选择大的背吃刀量ap和小的进给量f，从而背吃刀量和进给量既要大又要小，由此构成了物理冲突。

问题分析：根据冲突解决理论物理冲突的解决主要应用四大分离原理：时间分离、空间分离、条件分离、整体部分分离。结合金属切削实际，对于背吃刀量和进给量的选择可按照粗加工和精加工进行条件分离求解。

问题求解：粗加工以提高切削效率为主，因此选用较大的背吃刀量，精加工以保证切削质量为主，因此选用较小的背吃刀量，进给量的确定结合背吃刀量、工件材料、刀具材料等选取。

（2）技术冲突及其求解

问题描述：刀具的主偏角较大对减小刀具切削力有利，但会降低刀具寿命并使表面粗糙度变大，这就造成了刀具切削力和刀具寿命之间的技术冲突。

问题分析：实际问题中改善的参数为刀具切削力的降低，恶化的参数为刀具寿命的减小，通过将实际问题参数转化为TRIZ冲突标准参数，改善参数11力和恶化参数22能量损失，通过查询冲突矩阵得到发明问题解决原理14曲面化和原理15动态化。

问题求解：通过应用案例分析，选取发明问题原理14曲面化中将直线、平面用曲线、曲面代替的思路，在刀具切削刃中引入过渡刃，将原有直线切削刃变为曲线切削刃以实现问题的解决，如图3所示。

图3 刀具中的过渡刃设计

通过引入冲突解决原理增强了学生对于利用条件分离合理选择切削用量提高金属切削效益、在刀具中设计过渡刃等知识点掌握。

2.5 应用克服思维惯性方法

为了培养学生的发散思维，克服人云亦云的思维惯性，跳出现有知识束缚，在刀具设计、金属切削原理有关知识中引入头脑风暴法、类比法、九屏幕法、小人法、最终理想解法、金鱼法和STC算子法等克服思维惯性方法，通过分小组讨论、图表分析等学习形式，引导学生理清知识脉络，提高创新思维解决问题。例如，在学习背吃刀量增大对于切削温度的影响时，采用头脑风暴法对学生进行分组，使学生经过充分讨论得到“背吃刀量增加虽然切削热增加，但同时刀具传热面积也按比例增加，因而背吃刀量增加切削温度基本不变的结论”；在学习刀具几何角度对切削的影响时，可以采用类比法，将金属切削过程与日常生活中的菜刀切菜联系起来，引导学生正确理解刀具前角、楔角以及后角的作用。

3 结语

“金属切削原理与刀具”课程是当前学校普遍反映教师不好教、学生不好学的课程之一[8]。通过课堂引入TRIZ理论系统进化法则、物场分析理论、冲突解决理论和克服思维惯性等方法，提高了学生学习兴趣和发散思维，引导学生养成了发现问题、探究问题、解决问题的能力，增强了学生知识学习的系统性，有效破解了教学难点，提高了教学质量。除了新理论、新方法的应用，还需要用好国家教学资源库等资源、加强信息化教学改革、开展理实一体化教学，加强学生实践能力，全方位提高“金属切削原理与刀具”课程教学质量，有效促成教学目标达程。